[b][center][left]Description microscopique de la matière
Plan
1. Introduction : gaz, liquide, solide
2. Les particules de base de la matière
2.1. L'hypothèse atomique
2.2. La particule de base
3. Les deux états de la matière : l'état désordonné et l'état ordonné
3.1. L'état désordonné
3.2. L'état ordonné
Annexe : la loi de distribution des vitesses de Maxwell
Physiciens et chimistes étudient les propriétés de la matière. Leurs domaines respectifs ne sont pas réservés, ils appartiennent à un même domaine scientifique appelé Sciences Physiques. Les collègues de l’enseignement secondaire sont professeurs de Physique et Chimie. Parce que le domaine de connaissances en Sciences Physiques croît de manière exponentielle, l’enseignement supérieur a été amené à distinguer des professeurs de Physique et des professeurs de Chimie sans qu’il y ait une frontière réelle, tangible entre eux.
Traditionnellement, les premières notions d’atomistique, de liaisons et d’édifices entre les atomes font partie des leçons de Chimie de l’enseignement secondaire.
Nous ne croyons pas que l’on puisse faire des études de Physique en ignorant ces pré-requis.
1. Introduction : gaz, liquide, solide
Communément, on classe les milieux matériels en solides et fluides.
Ces deux notions, comme beaucoup de notions premières, ne sont pas simples à définir, la difficulté augmente si l'on souhaite, comme tout un chacun, distinguer les liquides et les gaz à l'intérieur de la famille fluide.
Remarquons cependant que tout au long du premier chapitre nous avons utilisé notre sens commun pour nous représenter la matière et avons pu, sans trop de difficulté de compréhension entre nous, donner un contenu scientifique à des notions aussi tangibles que pression ou température.
Il n’est jamais inutile d’ouvrir un dictionnaire et de chercher le sens qui peut être donné aux mots.
Ouvrons (sans en faire publicité) le "Petit Robert" et regardons les définitions à usage courant.
Fluide : "Qui n'est ni solide, ni épais, coule aisément". Mais l'huile, par exemple, c'est épais ou non ? Allons voir à solide.
Solide : "Qui a de la consistance, qui n'est pas liquide, tout en pouvant être plus ou moins mou". Qui n'est pas liquide ? Allons voir à liquide.
Liquide : "Tout corps qui coule ou tend à couler". Peut-on dire que le sable sec qui coule entre les doigts est un liquide?
Les définitions à usage courant semblent bien floues, aussi dans le même dictionnaire nous considérons les définitions scientifiques.
Fluide : "Tout corps qui se laisse déformer sous l'action de forces minimes; tout corps qui épouse la forme de son contenant"
Solide : "Se dit d'un corps dans lequel les molécules sont très rapprochées les unes des autres et vibrent avec une très faible amplitude autour de leur position d'équilibre; qui a de la cohésion, garde une forme relativement constante lorsqu'il n'est pas soumis à des forces extérieures"
Liquide : "Tout corps à l'état fluide, pratiquement incompressible, formé de corpuscules (ions ou molécules) soumis à de faibles attractions"
Gaz : "Tout corps qui se présente à l'état de fluide expansible et compressible (état gazeux) dans les conditions de température et de pression normales"
Cette lecture permet de dégager quelques pistes :
celles liées à la forme : un solide a une forme propre, certes susceptible de changer mais on le reconnaît ; un fluide, quant à lui, n’a pas de forme propre et prend la forme du récipient qui le contient
celles liées aux forces à exercer pour déformer le milieu : pour les fluides elles sont faibles devant celles nécessaires à la déformation d'un solide ; en particulier un fluide ne peut rester insensible à une "caresse"
celles liées à la compressibilité : les liquides sont, en première approximation, incompressibles ce qui n’est pas le cas des gaz ; toutefois les liquides sont plus compressibles que les solides.
Sans doute, avons nous l’impression d’en savoir plus, mais pour progresser on devra " prendre un microscope " c'est à dire faire intervenir une conception microscopique de la matière.
2. Les particules de base de la matière
2.1. L’hypothèse atomique (ou moléculaire)
L’hypothèse est banale (universellement admise). Elle était déjà émise par les philosophes de la Grèce antique. Par contre les premières preuves expérimentales - Dalton, Proust, Lavoisier au 19ème siècle - sont relativement récentes.
Si, dans un cataclysme, toute notre connaissance scientifique devait être détruite et qu’une seule phrase passe aux générations futures, quelle affirmation contiendrait le maximum d’information dans le minimum de mots ? N’est ce pas l’hypothèse atomique à savoir " toutes les choses sont faites d’atomes (de molécules), petites particules en agitation incessante, s’attirant mutuellement à petite distance les unes des autres et se repoussant si on cherche à trop les rapprocher ". Dans cette seule phrase vous verrez qu’il y a une énorme quantité d’informations sur le monde, si on lui applique un petit peu d’imagination et de réflexion. The Feynman Lectures on Physics par Richard P. Feynman, Robert B. Leighton et Mattews Sands.
Sans doute, cette phrase de Richard P. Feynman, prix Nobel de Physique en 1965, est suffisante pour aborder un premier cours de Thermodynamique à condition de la compléter par :
- un modèle pour l’atome à savoir il est identifiable à une " masse ponctuelle " assimilable à une " sphère rigide, très petite ",
- un modèle pour la molécule qui est constituée d’atomes en très forte interaction entre eux c’est à dire à distances pratiquement constantes les uns des autres, soit encore vibrant avec des amplitudes très faibles autour de leur positions d’équilibre respectives.
Cette phrase est très insuffisante pour comprendre le comportement de la matière soumise à un champ électrique et/ou magnétique, pour aborder l’interaction onde-matière c’est à dire une physique dite " moderne " celle qui ne s’est construite qu’à partir du début du 20ème siècle.
La compressibilité des gaz, la presque incompressibilité des liquides et des solides permet de dire que les atomes d’un liquide ou d’un solide sont " entassés " les uns sur les autres alors que ceux d’un gaz sont éloignés les uns des autres. Ceci est confirmé par la masse volumique qui est faible (peu d’atomes par unité de volume) pour les gaz et importante pour les liquides et les solides, par le fait que nous nous sentons " léger " (forte poussée d’Archimède) dans l’eau et " lourd " dans l’air, que nous avons du mal à marcher dans l’eau, …[/left][/center][/b]
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1. Introduction : gaz, liquide, solide
2. Les particules de base de la matière
2.1. L'hypothèse atomique
2.2. La particule de base
3. Les deux états de la matière : l'état désordonné et l'état ordonné
3.1. L'état désordonné
3.2. L'état ordonné
Annexe : la loi de distribution des vitesses de Maxwell
Physiciens et chimistes étudient les propriétés de la matière. Leurs domaines respectifs ne sont pas réservés, ils appartiennent à un même domaine scientifique appelé Sciences Physiques. Les collègues de l’enseignement secondaire sont professeurs de Physique et Chimie. Parce que le domaine de connaissances en Sciences Physiques croît de manière exponentielle, l’enseignement supérieur a été amené à distinguer des professeurs de Physique et des professeurs de Chimie sans qu’il y ait une frontière réelle, tangible entre eux.
Traditionnellement, les premières notions d’atomistique, de liaisons et d’édifices entre les atomes font partie des leçons de Chimie de l’enseignement secondaire.
Nous ne croyons pas que l’on puisse faire des études de Physique en ignorant ces pré-requis.
1. Introduction : gaz, liquide, solide
Communément, on classe les milieux matériels en solides et fluides.
Ces deux notions, comme beaucoup de notions premières, ne sont pas simples à définir, la difficulté augmente si l'on souhaite, comme tout un chacun, distinguer les liquides et les gaz à l'intérieur de la famille fluide.
Remarquons cependant que tout au long du premier chapitre nous avons utilisé notre sens commun pour nous représenter la matière et avons pu, sans trop de difficulté de compréhension entre nous, donner un contenu scientifique à des notions aussi tangibles que pression ou température.
Il n’est jamais inutile d’ouvrir un dictionnaire et de chercher le sens qui peut être donné aux mots.
Ouvrons (sans en faire publicité) le "Petit Robert" et regardons les définitions à usage courant.
Fluide : "Qui n'est ni solide, ni épais, coule aisément". Mais l'huile, par exemple, c'est épais ou non ? Allons voir à solide.
Solide : "Qui a de la consistance, qui n'est pas liquide, tout en pouvant être plus ou moins mou". Qui n'est pas liquide ? Allons voir à liquide.
Liquide : "Tout corps qui coule ou tend à couler". Peut-on dire que le sable sec qui coule entre les doigts est un liquide?
Les définitions à usage courant semblent bien floues, aussi dans le même dictionnaire nous considérons les définitions scientifiques.
Fluide : "Tout corps qui se laisse déformer sous l'action de forces minimes; tout corps qui épouse la forme de son contenant"
Solide : "Se dit d'un corps dans lequel les molécules sont très rapprochées les unes des autres et vibrent avec une très faible amplitude autour de leur position d'équilibre; qui a de la cohésion, garde une forme relativement constante lorsqu'il n'est pas soumis à des forces extérieures"
Liquide : "Tout corps à l'état fluide, pratiquement incompressible, formé de corpuscules (ions ou molécules) soumis à de faibles attractions"
Gaz : "Tout corps qui se présente à l'état de fluide expansible et compressible (état gazeux) dans les conditions de température et de pression normales"
Cette lecture permet de dégager quelques pistes :
celles liées à la forme : un solide a une forme propre, certes susceptible de changer mais on le reconnaît ; un fluide, quant à lui, n’a pas de forme propre et prend la forme du récipient qui le contient
celles liées aux forces à exercer pour déformer le milieu : pour les fluides elles sont faibles devant celles nécessaires à la déformation d'un solide ; en particulier un fluide ne peut rester insensible à une "caresse"
celles liées à la compressibilité : les liquides sont, en première approximation, incompressibles ce qui n’est pas le cas des gaz ; toutefois les liquides sont plus compressibles que les solides.
Sans doute, avons nous l’impression d’en savoir plus, mais pour progresser on devra " prendre un microscope " c'est à dire faire intervenir une conception microscopique de la matière.
2. Les particules de base de la matière
2.1. L’hypothèse atomique (ou moléculaire)
L’hypothèse est banale (universellement admise). Elle était déjà émise par les philosophes de la Grèce antique. Par contre les premières preuves expérimentales - Dalton, Proust, Lavoisier au 19ème siècle - sont relativement récentes.
Si, dans un cataclysme, toute notre connaissance scientifique devait être détruite et qu’une seule phrase passe aux générations futures, quelle affirmation contiendrait le maximum d’information dans le minimum de mots ? N’est ce pas l’hypothèse atomique à savoir " toutes les choses sont faites d’atomes (de molécules), petites particules en agitation incessante, s’attirant mutuellement à petite distance les unes des autres et se repoussant si on cherche à trop les rapprocher ". Dans cette seule phrase vous verrez qu’il y a une énorme quantité d’informations sur le monde, si on lui applique un petit peu d’imagination et de réflexion. The Feynman Lectures on Physics par Richard P. Feynman, Robert B. Leighton et Mattews Sands.
Sans doute, cette phrase de Richard P. Feynman, prix Nobel de Physique en 1965, est suffisante pour aborder un premier cours de Thermodynamique à condition de la compléter par :
- un modèle pour l’atome à savoir il est identifiable à une " masse ponctuelle " assimilable à une " sphère rigide, très petite ",
- un modèle pour la molécule qui est constituée d’atomes en très forte interaction entre eux c’est à dire à distances pratiquement constantes les uns des autres, soit encore vibrant avec des amplitudes très faibles autour de leur positions d’équilibre respectives.
Cette phrase est très insuffisante pour comprendre le comportement de la matière soumise à un champ électrique et/ou magnétique, pour aborder l’interaction onde-matière c’est à dire une physique dite " moderne " celle qui ne s’est construite qu’à partir du début du 20ème siècle.
La compressibilité des gaz, la presque incompressibilité des liquides et des solides permet de dire que les atomes d’un liquide ou d’un solide sont " entassés " les uns sur les autres alors que ceux d’un gaz sont éloignés les uns des autres. Ceci est confirmé par la masse volumique qui est faible (peu d’atomes par unité de volume) pour les gaz et importante pour les liquides et les solides, par le fait que nous nous sentons " léger " (forte poussée d’Archimède) dans l’eau et " lourd " dans l’air, que nous avons du mal à marcher dans l’eau, …[/left][/center][/b]